一种探究影响摩擦力因素的实验演示仪器

马兰 代伟 李燕秋 段晨靓 李青 黄军

摘 要：实验是物理教学的重要环节，教学中一个好的实验仪器对于提高教学效果至关重要。探究影响摩擦力因素的实验演示仪器能较全面地探究与摩擦力相关的因素。演示仪器利用力传感器来测摩擦力的大小，实验数据精确，探究得到的结果可信度高。同时，该实验仪器的可视性也比较强，利用显示器可得到摩擦力与时间的关系图像，方便教师的教学，也方便学生自主探究。

关键词：探究；摩擦力；滑动摩擦力；静摩擦力；演示仪器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）7-0016-3

《普通高中物理课程标准》[1]要求教师通过实验让学生去认识动摩擦、静摩擦的规律。然而，在实际的教学过程中，老师们却最常用理论分析的方法让学生去认识摩擦力的规律，使得学生对摩擦力的认识不够深刻，从而在往后的学习过程中分析摩擦力时频频出错。其主要原因有二：一是教材中的实验仪器比较简陋，使实验结果误差较大，达不到预期的效果；二是实验仪器作用单一，往往只能体现某一种作用，不能综合地探究影响摩擦力的因素。所以，一种较为精确的、综合的探究影响摩擦力因素的实验仪器呼之欲出。

1 实验仪器介绍

探究影响摩擦力因素的实验演示仪器的结构如图1所示，仪器有一底板，底板上安装有两根滑轨，一块木板安装在滑轨上可随滑轨移动形成移动的木板，通过减速电机的拖动可使移动的木板在水平方向做匀速运动，移动速度的快慢可以调节。用于探究影响摩擦力因素的实验样品在实验的过程中放置在移动木板上，实验样品通过竖直拉线与朗威力传感器相连，实验样品所受的拉力等于样品所受的摩擦力，其大小可以通过拉力传感器进行测量。实验中样品所受摩擦力的大小既可由朗威力传感器直接测出，也可在实验中将力传感器与电脑相连，通过电脑显示屏向学生展示摩擦力随时间变化的曲线，以便分析摩擦力的变化规律。

2 实验仪器在探究影响摩擦力因素教学中的应用

2.1 探究静摩擦力与滑动摩擦力的方向

如图2所示，将实验样品1做成毛刷的形式放在移动木板上并与力传感器连好，然后开启电机使移动木板匀速向左移动则毛刷相对于移动木板向右移动。刚开始移动时，发现毛刷的上端没动，毛刷下端也保持竖直，但随移动木板继续向左运动，毛刷的下端发生了如图2所示的形变。由分析可知，正是在向左的静摩擦力的作用下，毛刷的下端才与移动木板一直保持相对静止并向左移动。但若向右的拉力继续作用，毛刷下端与上端一样会相对于移动木板向右运动。因此，当毛刷与木板保持相对静止时具有向右的运动趋势，总结可得：静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反。使拉力继续作用，毛刷与木板发生相对滑动，毛刷依然发生如图2所示的形变，此时，毛刷所受滑动摩擦力的方向向左，仍与相对运动的方向相反。通过实验探究可以得出结论：滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反，静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反。

2.2 探究静摩擦力与滑动摩擦力之间的大小关系

为了探究静摩擦力与滑动摩擦力之间大小的关系，样品做成如图3所示的形状，木块的上表面光滑，下表面粗糙。实验时将样品粗糙的一面放在实验仪器的移动木板上进行测试，测试得到的摩擦力随时间变化的曲线如图4所示。从测量曲线可以看出：样品和移动木板之间的摩擦力随时间逐渐增大，当达到一个最大值后又开始减小，然后趋于一个稳定值。通过观察仪器上的指针发现，当摩擦力达到最大值后，样品相对于移动木板开始滑动。通过分析知道：曲线上的最大值就是静摩擦力，稳定值就是滑动摩擦力。但平时为了方便研究，近似地认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力，从而帮助学生搞清静摩擦力与滑动摩擦力之间的大小关系。

2.3 探究静摩擦力和滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度之间的关系

实验样品仍然采用如图3所示的样品2，木块的上表面较光滑，下表面较粗糙。首先，将样品的粗糙面放置在仪器上测试静摩擦力与滑动摩擦力的大小，然后再测光滑表面的静摩擦力与滑动摩擦力的大小。实验发现，在其他条件不变的情况下，接触面越粗糙静摩擦力与滑动摩擦力越大。从而得出结论：其他条件相同时，接触面越粗糙静摩擦力与滑动摩擦力越大。

2.4 探究正压力与滑动摩擦力之间的大小关系

实验样品3做成图5（a）所示的形状，每块样品质量都完全相同。实验时将4块样品依次放到移动木板上进行测试，如图5（b）所示。利用力传感器依次测量4组样品木块放上去后滑动摩擦力的大小随时间变化的图像。通过测量发现，叠放的木块数量越多测得的滑动摩擦力越大，但接触面间的滑动摩擦力与叠放木块的重力的比值却始终保持不变。需要特别说明的是，此时样品的重力就是样品作用在移动木板上的正压力。所以，由实验得出的结论：滑动摩擦力的大小与正压力成正比，但不能说滑动摩擦力的大小与样品的重力成正比。

2.5 探究滑动摩擦力大小与接触面积大小、相对运动快慢的关系

为了探究滑动摩擦力大小与接触面积大小、相对运动快慢之间的关系，样品做成如图6所示的形状。样品A和B两木块的质量相同，但A木块的底面积比B木块大一倍。实验时将两木块依次放在仪器上进行实验探究，在其他实验条件相同的情况下测得的A、B两木块所受的滑动摩擦力相同。于是，通过实验可以得出结论：滑动摩擦力大小与接触面积大小无关。同样用A、B两木块进行实验，但在滑动摩擦力的测量过程中通过调节电机的调速开关去改变移动木板的运动速度，分别测出A、B两木块移动速度不同时所受的滑动摩擦力的大小，最后发现测得的摩擦力相同。于是，通过测得的实验结果可得出结论：木块所受滑动摩擦力的大小与木块的运动速度无关。

2.6 探究滚动摩擦力和滑动摩擦力之间的大小关系

滚动摩擦力虽然不属于高中物理所要掌握的范围，但滚动摩擦却在生活中随处可见，如滚动的车轮、足球等。为了拓宽学生的知识面，帮助学生解决生活中一些关于滚动摩擦力和滑动摩擦力的问题，可利用如图7所示的木板小车探究滚动摩擦力大小与滑动摩擦力之间的大小关系。实验时首先将木板小车放置在实验仪器的移动木板上，开启电机让小车在移动木板上滚动，通过力传感器测出样品小车滚动时所受摩擦力的大小，然后将木板小车的轮子朝上、面板朝下，放在仪器的移动木板上，测量此时木板小车所受滑动摩擦力的大小。最后，发现在实验条件相同的情况下小车所受的滚动摩擦力远小于滑动摩擦力。由此得出结论：其他条件相同时，物体间的滚动摩擦小于滑动摩擦。学生可将此结论应用于生活中并解决生活中的一些实际问题。

3 结束语

就目前的教学现状来看，新课程标准要求我们运用实验来探究物理规律往往流于形式，未被落到实处，其原因也很复杂。但只要每一个物理人付出自己小小的努力，现状就会有很大的改观。希望通过探究影响摩擦力因素的实验演示仪器在摩擦力教学中的运用举例，能帮助老师在物理教学中将教学设计与实验很好地结合起来，这样不但老师讲授物理原理容易，学生理解起来也轻松。由于亲眼所见实验现象，那么对相应的物理理论的记忆就更深刻，这样学习物理将不再是学生们心中难以逾越的鸿沟。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]曾洪武.自制摩擦力演示仪及实验演示设计[J]. 实验设计与技术，2006，23（10）：26—27.

[3]罗桂新. 用气垫导轨装置演示静摩擦力实验[J]. 物理教学探讨，2007，25（10）：56—57.

[4]王翠萍. 如何区分动摩擦力和静摩擦力[J]. 新高考：高一物理，2013（9）：25—26.

[5]李雪琴，闫何军，范福生.高考热点专题透视——摩擦力的突变问题[J]. 试题与研究：高考，2013（22）：55—59.

（栏目编辑 赵保钢）